单电弧TIG焊咬边影响机理的数值模拟研究

有 限元 数值 模 型 ， 分 析 焊 接 熔 池 在 不 同条 件 下 的 流体 静 力学 行 为 ， 研究 焊接 速度 对 咬边 产 生 的影响 规律 。 在 熔化 焊接 工艺 中 ， 有 多种 因 素影 响焊缝 成 形 ， 如 重力 、 电磁 力 、 表 面 张力 、 电弧 力 及 熔 池 内 流体 的 流 动 等 。为 方便 研究 ， 文 中未 涉 及 电弧 作 用 于 熔 池 表 面 的 作 用力 和熔 池 流体 流动对 焊 缝 成 形 的影 响 。在 薄 板 焊 接 中， 电流 比较 小 ， 熔池 体积 也很 小 ， 此 时 表 面 张 力 的 作 用 占有 主导地 位 ， 例如 在 薄板 焊 接 中 ， 焊缝 背 面 悬 空 也可 以得 到很 好 的背 面 成 形 ， 这 主要 是 由表 面 张 力 作
关 键 词 ： ＴＩ Ｇ焊 有 限元 分 析 咬 边
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｉ ３ ４ ０ ９
０ 前
言
Ｆ＝Ｆ ｓ ｇ 一（ Ｆ 。 ｌ ＋Ｆ ｌ ｇ × ｃ ｏ ｓ 咖）
（ １ ）
式 中： 咖 为熔 化 角 ； Ｆ 为 固 一气 界 面 间 的表 面 张力 ； Ｆ 为 固 一液界 面 间 的表 面 张 力 ； Ｆ 。 为 气 一液 界 面 间 的表
况 在这 里不 会 出现 。
表 面张 力是 一 种 短 距 离 的微 观作 用 力 ， 当三个 力 的合力 大于 零 时 ， 或 者 说 三 相 交 界 点 有 向 上 运 动 的 趋
势时 ， 表 面 张力 的方 向就 会发 生 改 变 ， 上 面 公 式 也不 再
成 立 。三相 交 界 点显 然 只 能 沿 固 相 界 面 移 动 ， 合力 方
向 向内时 ， 三相点 沿 固液 界 面 向 内移 动 ， 表 面 张力 的方
哈尔 滨工 业大学 冯雷 博 士 建 立 了焊 接 熔池 的二 维 流体 静力 学模 型 ［ １ ］ 。图 １ 所 示 为 熔 池 的横 截 面 图 。在 熔池 边缘 固液 气 三相 交界 点 ， 界 面 张 力 的合 力 可 由如
用产 生 的 。
图 １ 焊接熔池横截 面受力分析
由式 （ １ ） 可知 ， Ｆ＝ ０ ， 刚好达 到平 衡 ， 这是 不发 生 咬
边 的临界 情况 ； Ｆ＜ ０， 即合 力 方 向是 指 向熔 池 内部 的 ， 熔池 金 属将 向 内部 聚 拢 ， 从而形成咬边 ； Ｆ＞０ ， 这 种情
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俘 Ｉ Ｇ 焊 咬 边 影 响 机 理 的 数 值 模 拟 研 究
北 京 工 业 大 学 机 电 学 院（ １ ０ ０ ０ ２ ２ ） 山东临 沂师 范学 院信 息 学Ｉ ￣（ ２ ７ ６ ０ ０ ５ ）
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面张力 。
对 于焊接 温 度 场 的研 究 早 在 上 个 世 纪 ３ ０年 代 就 开始 了 ， 前 苏 联 的 雷 卡林 用 解 析 法 推导 出 一 整 套 的计 算公 式 ， 使 温度 场计 算成 为 一 个 完整 的体 系 。但 是 ， 这
些研 究都 是基 于一 些 假 设 ， 而这 些 假 设 与 焊 接 的 实 际
基金项 目 ： 国家 自然科学基 金（ ５ ０ ５ ７ ５ Ｏ Ｏ ６） 。
２ ２ ２ ０ ０ ７年 第 ４期
所 以， 三 相交 界 点 是 不 会 向外 移 动 的 ， 也就是说，
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情况 相 差较 大 ， 虽 然 许 多 研 究 者 对 雷 卡 林 公 式 进 行 了 修正 ， 但 由于无 法从 根本 上 避 免这 些 不 合 理 的假 设 ， 所 以进 展 不大 。 随着 计 算 机 技 术 的迅 速 发 展 ， 数 值 模 拟
技术 得 到 了广 泛 的 应 用 ， 并 成 为 分 析 焊 接 温 度 场 的最 有 效手 段之 一 。文 中通 过 对 Ｔ Ｉ Ｇ焊 的 电 弧 和熔 池 建立
下公 式得 到 ：
收 稿 日期 ： ２ ０ ０ ６— ０ ５—１ ２
向和 图 中所 示相 同 ， 但 合 力 向外 时 ， 三 相 交 界 点有 沿 固 气 界 面 向外 移 动 的趋 势 ， 此 时 三个 界面 张 力 的 方 向都
变 成水 平方 向。而在 一 般情况 下 ，
Ｆ ｌ ｇ ＋Ｆ 。 ｌ ＞Ｆ ｓ ｇ （ ２ ）
摘要
卢振 洋 吉 玲
刘
建
黄鹏 飞
殷 树言
避免咬边是提高焊接速度 的关键 问题 。通过对 Ｔ Ｉ Ｇ焊温度场进行数值模 拟 ， 找到 Ｔ Ｉ Ｇ焊在 不 同焊接 速
度时熔池成形规律 。研究表 明： 焊接熔池 中熔宽最大 的位置滞后 于熔深 最大 的位置 ， 影 响咬边产 生 的关 键在 于动 态深宽 比。在对模型校核 的基础上 ， 从动态深宽 比的角 度分析 了 Ｔ Ｉ Ｇ高速焊 接时 的咬边 问题 ， 指 出在焊 接 电流相 同的条件下 ， 随着焊接速度的提高 ， 熔 深和熔 宽都将减小 ， 但熔深减小更 多 ， 所 以动态 深宽 比减 小 ， 熔 池表 面张力 向 内的合力增大 ， 容易产生咬边。即使在保证熔深相 同的前提下 ， 随焊接速度 的提高 ， 熔池 的动态深宽 比也会越 来越 小。 导致 咬边 倾向增加 。